Conceptos Fundamentales de la Electricidad y Electrostática

Fuerzas Electrostáticas: Atracción y Repulsión

Las fuerzas electrostáticas son interacciones fundamentales que surgen entre objetos cargados eléctricamente. Su naturaleza depende del signo de las cargas involucradas:

• Si dos objetos adquieren cargas del mismo signo (bien sean positivas o negativas), aparecerán fuerzas de repulsión entre ellos.
• Si dos objetos adquieren cargas de distinto signo, las fuerzas que aparecen entre ellos son fuerzas de atracción.

Estas fuerzas son de acción a distancia, es decir, que actúan sin que tenga que existir contacto entre los objetos cargados. Las fuerzas eléctricas o electrostáticas son fuerzas a distancia entre objetos producidas por la existencia de cargas eléctricas, que pueden ser positivas o negativas.

La Carga Eléctrica (q): Naturaleza y Unidades

La carga eléctrica, que se simboliza con la letra q, es una de las magnitudes más importantes de la Física y la Química. Al comenzar los estudios sobre la electricidad y las fuerzas eléctricas, los científicos no sabían cuál era su naturaleza. Solo se sabía que aparece al frotar algunos materiales y origina fuerzas de atracción o repulsión.

Actualmente, conocemos la estructura microscópica de la materia, y sabemos que está formada por átomos, los cuales, a su vez, contienen pequeñísimas partículas con carga eléctrica:

• Los electrones, que son negativos.
• Los protones, que son positivos.

Del mismo modo, sabemos también que los átomos son neutros. Entonces, ¿de dónde procede la carga neta —positiva o negativa— adquirida por los materiales al ser frotados?

Unidades de Carga Eléctrica

La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el Culombio (C). También se utilizan submúltiplos:

• C: Culombio
• mC: Miliculombio
• µC: Microculombio

Equivalencias:

• 1 C = 1000 mC
• 1 C = 1 000 000 µC
• 1 mC = 1000 µC

Factores que Influyen en la Intensidad de las Fuerzas Eléctricas

Las fuerzas eléctricas son de una intensidad moderada, muy superior a la de las fuerzas gravitatorias. Esta intensidad depende de tres factores:

1. El valor de las cargas: Si alguna de las cargas se duplica, por ejemplo, la fuerza también aumenta el doble. Decimos que el valor de la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de los valores de las cargas.
2. La distancia de separación entre las cargas: Si esta distancia aumenta, el valor de las fuerzas de atracción o repulsión disminuye, de forma inversamente proporcional al cuadrado de la misma.
3. El medio en el que se encuentren las cargas: De este modo, el valor de la fuerza de atracción o repulsión es diferente si las cargas están en el vacío o en el aire que si entre ellas existe otro medio material.

Conductores y Aislantes Eléctricos

Un material que permite el movimiento de cargas eléctricas en su seno recibe el nombre de conductor. Si, por el contrario, no permite que las cargas eléctricas se muevan, es un aislante.

El aire es un aislante eléctrico. No obstante, durante las tormentas es tanta la carga que puede llegar a acumularse, que vence la resistencia eléctrica del aire, dando lugar a rayos espectaculares. Estos consisten en una enorme cantidad de carga eléctrica que se mueve a través del aire, alcanzando la superficie terrestre.

Los conductores eléctricos tienen una gran importancia tecnológica, ya que, como veremos, hacen posible la corriente eléctrica. Sin embargo, tan importante como disponer de conductores es también contar con aislantes, ya que la corriente eléctrica puede resultar peligrosa.

Características de Conductores y Aislantes

• Un buen conductor se caracteriza por ofrecer baja resistencia al movimiento de las cargas. Son buenos conductores, en general, los metales y, especialmente, algunos como el oro, la plata o el cobre. Este último es el más utilizado como conductor eléctrico, debido a su menor coste.
• Por el contrario, un aislante ofrece alta resistencia al movimiento de cargas eléctricas. Son aislantes eléctricos materiales como la madera, el vidrio, la goma o el plástico. Los dos últimos sirven para fabricar recubrimientos para cables, enchufes, herramientas, botas, etc.

La Corriente Eléctrica: Conceptos Clave

La corriente eléctrica consiste en un movimiento ordenado de cargas eléctricas a través de un material conductor.

En el caso de los conductores metálicos, las cargas que se desplazan, dando lugar a la corriente eléctrica, son electrones. Estos se mueven desde una zona en la que la carga neta es negativa porque están en exceso, hasta otra zona en la que hay un defecto de electrones y, por tanto, la carga neta es positiva.

Sin embargo, por convenio y con independencia del material de que se trate, se define el sentido de la corriente desde la zona de carga positiva hacia la zona de carga negativa.

Magnitudes Fundamentales de la Corriente Eléctrica

• La intensidad de corriente (I) es la cantidad de carga, en culombios, que atraviesa el conductor en un segundo. Se mide en amperios (A) en el Sistema Internacional (SI).
• Para mantener una corriente eléctrica es necesario utilizar un generador de corriente, que puede ser una pila o una batería.
• El voltaje o diferencia de potencial (ΔV) es la energía por unidad de carga que un generador es capaz de suministrar. Se mide en voltios (V) en el SI. Para que circule corriente, el voltaje entre dos puntos de un conductor debe ser distinto de cero. Equivale a decir que debe haber separación de cargas positivas y negativas para que estas se desplacen.
• La resistencia (R) es la dificultad que encuentran las cargas en su desplazamiento por el conductor. Se mide en ohmios (Ω) en el SI.

Relación entre Intensidad, Voltaje y Resistencia

• Voltaje e Intensidad: Cuanto mayor sea el voltaje, mayor es también la intensidad de la corriente que circula. Las dos magnitudes —intensidad y voltaje— son directamente proporcionales.

Ejemplos de proporcionalidad:

• Si ΔV = 1,5 V, entonces I = 0,25 A
• Si ΔV = 3 V, entonces I = 0,5 A

Si el voltaje se duplica, la intensidad de la corriente que circula también aumenta el doble, pues ambas magnitudes son directamente proporcionales.

• Resistencia e Intensidad: Cuanto mayor sea la resistencia, mayor es la oposición del conductor al movimiento de las cargas y, por tanto, menor es la intensidad de la corriente. De acuerdo con esto, decimos entonces que estas dos magnitudes —intensidad y resistencia— son inversamente proporcionales.

Circuitos Eléctricos

Un circuito eléctrico es el conjunto formado por un conductor y uno o varios generadores de corriente, al que pueden añadirse otros elementos eléctricos. Los elementos pueden conectarse de dos formas principales:

• En serie: Cuando se conectan los elementos uno a continuación de otro.
• En paralelo: Cuando se sitúan en ramas diferentes, conectadas entre sí.

Introducción al Magnetismo

El magnetismo es la propiedad que poseen algunos objetos, denominados imanes, de atraer otros objetos fabricados en todo o en parte con hierro.